[发明专利]一种用于光刻设备的曝光装置与曝光方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的曝光装置与曝光方法。

背景技术

投影曝光装置能够将掩模版上的电路图形经过投影物镜等光学系统以一定放大或缩小的倍率投影于涂有感光胶的基底上。目前投影曝光装置已广泛应用于集成电路的制造，并且近年来应用范围扩展到平板显示、印刷电路板制造等领域。

随着市场对半导体产品需求量的不断增大和生产商对其价格竞争力的不断追求，初始加工的硅片、平板显示基板和PCB基板的尺寸不断增大。在晶圆制造领域，450mm设备的需求已经提上具体日程，要求450mm曝光设备具有300mm设备相当甚至更高的产能，掩模成本在IC制造中，单套掩模板价格可达上千万美金，与曝光设备几乎等价；在平板显示领域，普遍采用扫描投影式曝光装置，为了保持、甚至提高产率，掩模的尺寸随基板世代的提升而增大，掩模的管理和维护成本不断上升，同时对掩模台、掩模传输、框架提出了更高的要求。在PCB领域，随着基板大小的增加，无法再使用接近接触式光刻设备进行图形加工；另外，由于PCB产品的附加值较小，采用类似平板显示的扫描投影曝光装置会导致成本增加。因此，具备一定产能的无掩模曝光装置能够满足目前的微纳制造发展趋势。

无掩模光刻能有效地降低光刻系统的复杂度(无需掩模台、掩模传输、框架结构简单)和掩模的加工、维护成本，是进行大尺寸基底光刻的发展趋势之一，而基于空间光调制器(Spatial Light Modulator，以下简称SLM)的无掩模光刻方法因其制作灵活、可靠性高和产率较客观等优势越来越多地被用来制作印刷电路板(PCB)、薄膜液晶面板(TFT)、微机电系统(MEMS)。

US7612865、US7253882、US20090086182、US2008258069分别为Dainippon Screen、Fujifilm、Maskless Lithography Inc、ORC等公司的用于PCB加工的无掩模光刻设备，其特点为：汞灯或激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)出射的紫外光经照明系统后入射到数字微镜阵列(Digital Micromirror Device，以下简称DMD)表面，DMD生成待曝光的图形，经过投影物镜成像到涂胶基底表面，基底做扫描运动，DMD不断地改变图形，从而得到完整的待曝光图形。

以上各系统存在一个很大的缺陷。在无掩模曝光系统中，空间光调制器(如DMD)所生成的图形是离散的，而基底却在做连续扫描。每幅曝光图形由SLM生成后会保持一段时间，该时间为SLM的显示周期(或称为frame rate)，以DMD为例，目前其最大刷新率为32K fps，即31.25us，若采用汞灯或LD等连续光源，假设基底以0.5m/s的速度做扫描运动，则相当于产生了0.5m/s×31.25us＝15.625um的fading。这一缺陷极大的限制了无掩模光刻的应用，使之不能进行高分辨率图形的曝光，或者只能在很慢的扫描速度下进行曝光，极大影响产率。

针对以上无掩模曝光系统的缺陷，现有技术又提出了基于DMD和脉冲激光同步曝光的无掩模光刻系统(见专利CN201310351942.X)。通过脉冲激光、DMD、运动台三者之间的同步运动，使DMD在两幅离散图形之间，运动台可以通过较大的距离，在保证能量利用率的前提下提高扫描速度，从而提高产率。

然而，以上基于DMD的无掩模曝光设备有一个很大的缺陷：由于DMD内部各微反射镜的偏转只能为+/-12度，由于制造工艺问题，其偏转始终存在+/-1度的误差，因此该DMD倾斜误差会导致部分像素失效或照明均匀性下降。

如想利用CN201310351942.X中提出的方案曝光1um左右的线条，假设采用18倍缩小倍率、像方NA＝0.28的物镜，对应像方孔径角为16.26度，物方孔径角根据放大率换算为16.28/18＝0.9度，DMD微镜偏转误差+/-1度，导致反射光偏转+/-2度，因此会有相当一部分光不能进入光学系统，而由于DMD的偏转角度不能连续进改变，因此该误差无法通过器件本身进行消除。

在“System Design Considerations for DLP”一文中，提出了两种解决方案，其一是增大照明的面积，通过增加经DMD反射后的光锥面积，保证无论光锥如何偏转，都能覆盖DMD出瞳(即数值孔径范围)。这种方案的缺陷在于：照明能量浪费极其严重，导致有效的曝光能量不足10％。此外，这一方法相当于增大了照明的部分相干因子，使之>>1，在这种情况下，往往导致成像对比度降低。